ライス大学とヒューストン大学の研究チームは、従来の石油系プラスチックの代替となり得る、バクテリアセルロースを基盤とした高強度なバイオ材料の新たな製造法を発表しました。2025年7月にNature Communications誌で公開されたこの研究では、液体の流れを制御することで、バクテリアが通常の無秩序な状態ではなく構造を整えながら材料を「構築」していく、スケールアップ可能なバイオ合成技術について詳述されています。
この研究は、ヒューストン大学の機械・航空宇宙工学科の准教授でありライス大学とも連携しているムハンマド・マクスード・ラーマン氏の主導で行われました。論文の筆頭著者はライス大学の博士課程学生であるM.A.S.R.サーディ氏が務め、シャイヤム・バクタ氏（ライス大学）のほか、プマイク・アジャヤン氏、マシュー・ベネット氏、マッテオ・パスカリ氏らエンジニアや材料科学者がプロジェクトに参加しました。また、本研究は米国国立科学財団（NSF）、森林・コミュニティ寄附基金（Endowment for Forestry and Communities）、ウェルチ財団などの米国の財団から資金援助を受けて実施されました。
技術の仕組み
通常、バクテリアセルロースはナノ繊維がまばらで無秩序な網目状に成長するため、強度や負荷に対する耐性が限られてしまいます。今回の新しいアプローチでは、回転式のバイオリアクターを開発し、液体の流れを利用してグルコナセトバクター属細菌の動きと、それらが堆積させる繊維の方向を制御することに成功しました。
流体力学的な制御下で、研究者たちは一定方向に整列した高密度なシートを作製し、最大約436メガパスカルの引張強度を実現しました。成長過程で窒化ホウ素のナノシートを導入したハイブリッド版では、強度は約553メガパスカルに達し、熱伝導率は通常のバクテリアセルロースの3倍を記録しました。これらのプロセスはすべて、室温かつ一段階で行われ、毒性のある溶剤や過酷な発酵条件を必要としません。
環境性能、特性、および用途
このバクテリア由来の「紙プラスチック」は生分解性を維持しており、多くの合成ポリマーのように焼却や熱化学的なリサイクル処理を必要としません。さらに、この技術は比較的単純な培養基を利用でき、将来的には農業廃棄物を発酵の栄養源として活用することも可能なため、スケーラブルで低コストな生産を後押しします。
研究チームは、この新素材が以下のような複数の分野で応用されると考えています。
- 使い捨てプラスチックフィルムや箱の一部を代替する包装材
- 強度と軽さが求められる自動車部品や建設資材
- 電子機器の放熱用部品などの熱管理素子
- テキスタイルおよびフレキシブルディスプレイやセンサーを含む「グリーン」エレクトロニクス
- 強度と耐荷重性が重要なエネルギーシステムや複合材料
今後の課題と「即時の革命」ではない理由
この素材は非常に有望ではあるものの、生産量やコストの面で、現時点では従来のプラスチックを完全に代替できる段階にはありません。産業界への導入には、以下のプロセスが必要となります。
- 大規模な生産体制の確立
- 標準化および規制対応の解決
- 医療、自動車、産業の各現場における長期的な信頼性の実証
それでも、ライス大学とヒューストン大学のチームは、この技術を「環境への優しさと強度や安定性が両立する」先駆的な事例の一つとして位置づけています。今後数年以内に、産業パートナーと協力してパイロットラインを構築するとともに、特定の用途に向けた新たな材料の改良についても研究を進める計画です。
